JP2013143187A - Solid oxide fuel battery, and material for forming cathode of solid oxide fuel battery - Google Patents

Solid oxide fuel battery, and material for forming cathode of solid oxide fuel battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material for forming a cathode of a solid oxide fuel battery which has good electrode performance as an electrode, and which is arranged to reduce the thermal expansion and reduction expansion.SOLUTION: The present invention provides a material for forming a cathode of a solid oxide fuel battery 50. The material is in a composite condition, and comprises: a perovskite type oxide expressed by the general formula, (LaSr)(CoFe)O(where x is a real number satisfying the condition, 0.1≤x≤0.5; y is a real number satisfying the condition, 0.1≤y≤0.5; and δ is a value determined so as to satisfy a charge neutral condition); and a perovskite type oxide expressed by a general formula, (LaSr)(TiFe)O(where x is a real number satisfying the condition, 0.1≤x≤0.5; y is a real number satisfying the condition, 0.1≤y≤0.5; and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutral condition).

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池のカソード(空気極)形成に用いられる材料、および該材料を用いて構築された固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a material used for forming a cathode (air electrode) of a solid oxide fuel cell, and a solid oxide fuel cell constructed using the material.

固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell;以下、単に「SOFC」ということもある。)は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高く多様な燃料の使用が可能なため、環境負荷の少ない次世代の発電装置として開発が進められている。
SOFCの典型的な構造(単セル)は、酸素イオン伝導体(典型的には酸素イオン伝導性のセラミック体)から成る緻密な固体電解質(例えば緻密膜層)の一方の面に多孔質構造のカソード(空気極)が形成され、他方の面に多孔質構造のアノード(燃料極)が形成(例えば積層)されることにより構成されている。そして、燃料極が形成された側の固体電解質の表面には燃料ガス(典型的にはH(水素))が、空気極が形成された側の固体電解質の表面にはO(酸素)含有ガス(典型的には空気)が、それぞれ供給される。
A solid oxide fuel cell (SOFC: hereinafter referred to simply as “SOFC”) has high power generation efficiency and can use various fuels among various types of fuel cells. It is being developed as a next-generation power generator with less environmental impact.
A typical SOFC structure (single cell) has a porous structure on one side of a dense solid electrolyte (eg, a dense membrane layer) made of an oxygen ion conductor (typically an oxygen ion conductive ceramic body). A cathode (air electrode) is formed, and a porous anode (fuel electrode) is formed (for example, laminated) on the other surface. A fuel gas (typically H 2 (hydrogen)) is formed on the surface of the solid electrolyte on the side where the fuel electrode is formed, and O 2 (oxygen) is formed on the surface of the solid electrolyte on the side where the air electrode is formed. Each of the contained gases (typically air) is supplied.

SOFCのカソード材料としては、一般式(LnAe)MO(ただし、Ln=La等、Ae=Sr等、M=Mn、Fe、Co等)で示されるような、ペロブスカイト型の酸化物がよく用いられている。
かかる酸化物に関する従来技術としては、特許文献1、2が挙げられる。例えば、特許文献1には、上記一般式中のM元素の一部を、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)で置換した酸素分離膜が例示されている。また、特許文献2には、該M元素の一部を、ジルコニウム(Zr)で置換した酸素分離膜が例示されている。
As a cathode material of SOFC, a perovskite type oxide as shown by a general formula (LnAe) MO 3 (where Ln = La, Ae = Sr, M = Mn, Fe, Co, etc.) is often used. It has been.
Patent documents 1 and 2 are mentioned as conventional technology about this oxide. For example, Patent Literature 1 exemplifies an oxygen separation membrane in which a part of the M element in the above general formula is replaced with titanium (Ti) and aluminum (Al). Patent Document 2 exemplifies an oxygen separation membrane in which a part of the M element is substituted with zirconium (Zr).

特開2007−51035号公報JP 2007-51035 A 特開2007−51036号公報JP 2007-51036 A

ところで近年、SOFCの低コスト化や用途拡大の観点から、該SOFCの作動温度を下げるための研究が進められている。そこで、中低温(例えば、600℃〜800℃)作動型SOFCのカソード材料として、一般式(LaSr)(CoFe)O(以下、「LSCF」という。)で示される材料が注目されている。上記LSCFは、いわゆる酸素イオン−電子混合伝導体であり、比較的低い温度領域においても高い電極触媒能力を発揮することができる。
しかし、上記LSCFは他のカソード材料に比べて熱膨張が大きいことから、熱衝撃(例えば非使用時の温度(典型的には常温)と使用時の温度域(例えば600℃〜800℃)との間で昇温と降温を繰り返すこと)に対する耐久性が低いという問題がある。また還元膨張も大きいため、例えば燃料ガスがリークしてカソード側に混入した際に、クラック等の不具合が発生する虞もある。そこで、LSCFをカソード用材料として使用する際には、セリア(CeO)にガドリニア(Gd)をドープした、一般式:CeGdO(以下、「GDC」という。)で表される材料を混合し用いることも検討されている。しかし、該GDCは非常に高価であり、コスト低減の観点から好ましくない。さらに、上記LSCFは固体電解質として一般的に用いられるジルコニア系酸化物との反応性が高いため、該LSCFをカソードとして用いる際に、固体電解質との間に反応抑止層(中間層や保護層ともいう。)を形成する必要がある。
By the way, in recent years, research for lowering the operating temperature of SOFC has been promoted from the viewpoint of cost reduction and application expansion of SOFC. Therefore, a material represented by the general formula (LaSr) (CoFe) O 3 (hereinafter referred to as “LSCF”) has attracted attention as a cathode material for a medium-low temperature (for example, 600 ° C. to 800 ° C.) operation type SOFC. The LSCF is a so-called oxygen ion-electron mixed conductor, and can exhibit high electrode catalyst ability even in a relatively low temperature region.
However, since the LSCF has a larger thermal expansion than other cathode materials, the thermal shock (for example, the temperature at the time of non-use (typically normal temperature) and the temperature range at the time of use (for example, 600 ° C. to 800 ° C.) There is a problem that durability against repeated heating and lowering is low. In addition, since the reductive expansion is large, there is a possibility that defects such as cracks may occur when the fuel gas leaks and enters the cathode. Therefore, when LSCF is used as a cathode material, a material represented by a general formula: CeGdO 2 (hereinafter referred to as “GDC”) in which ceria (CeO 2 ) is doped with gadolinia (Gd 2 O 3 ). Mixing and using these is also under consideration. However, the GDC is very expensive and is not preferable from the viewpoint of cost reduction. Furthermore, since the LSCF is highly reactive with a zirconia-based oxide generally used as a solid electrolyte, when the LSCF is used as a cathode, a reaction inhibiting layer (both intermediate layer and protective layer) is formed between the LSCF and the solid electrolyte. Need to be formed).

本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、電極として優れた性能を有し、且つ熱膨張や還元膨張がより低減された、SOFCのカソード用材料を提供することである。また、本発明は、他の側面として、上記材料を用いてカソードを構成したSOFCを提供する。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an SOFC cathode material that has excellent performance as an electrode and has reduced thermal expansion and reduction expansion. is there. Moreover, this invention provides the SOFC which comprised the cathode using the said material as another side surface.

上記目的を実現するべく、本発明によって、一般式(La1−xSr)(CoFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物(以下、「LSCF」という。)と、一般式(La1−xSr)(TiFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物(以下、「LSTF」という。)と、の両方を含むコンポジット状態からなる、固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料が提供される。
上記コンポジット状態からなる材料は、比較的低い温度領域(例えば600℃〜800℃)においても電極として優れた性能を発揮し得る。また、熱膨張や還元膨張が比較的小さく抑えられているため温度変化等に対する膨張や収縮が少なく、かかる材料を用いることでSOFCの耐久性を向上させることができる。さらにLSCFとLSTFは反応性が低いため、LSCFとLSTFのコンポジット状態からなる電極を備えたSOFCは、長期間安定して使用することができる。このため、ここで開示される材料は、SOFCのカソード用材料として好適に用いることができる。
In order to achieve the above object, the present invention, the general formula (La 1-x Sr x) (Co y Fe 1-y) O 3-δ ( here, x satisfies 0.1 ≦ x ≦ 0.5 Real Y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) (Hereinafter referred to as “LSCF”) that a.) the general formula (La 1-x Sr x) (Ti y Fe 1-y) O 3-δ ( here, x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is 0 ..Ltoreq.y.ltoreq.0.5, and .delta. Is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) Perovskite oxide (hereinafter referred to as "LSTF"). A material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell comprising a composite state including both is provided. The
The material in the composite state can exhibit excellent performance as an electrode even in a relatively low temperature range (for example, 600 ° C. to 800 ° C.). In addition, since thermal expansion and reductive expansion are kept relatively small, there is little expansion and contraction with respect to temperature changes and the like, and the durability of SOFC can be improved by using such materials. Furthermore, since LSCF and LSTF have low reactivity, SOFCs equipped with electrodes composed of a composite state of LSCF and LSTF can be used stably for a long period of time. For this reason, the material disclosed here can be used suitably as a cathode material of SOFC.

ここで開示される材料の好ましい一態様では、上記LSCFと、上記LSTFとの質量比率が、80:20〜30:70であることが挙げられる。
上記の質量比率を満たすコンポジット状態からなる材料は、電極として優れた性能を有し、且つ熱膨張や還元膨張がより一層抑制されている。このため、本発明の効果をより一層発揮することができ、SOFCのカソード用材料として好適に用いることができる。
In a preferable embodiment of the material disclosed herein, a mass ratio of the LSCF to the LSTF is 80:20 to 30:70.
A material made of a composite state that satisfies the above-described mass ratio has excellent performance as an electrode, and thermal expansion and reductive expansion are further suppressed. For this reason, the effect of this invention can be exhibited further and it can use suitably as a cathode material of SOFC.

また、ここで開示される材料の好ましい一態様では、少なくとも1種の分散溶媒を含み、スラリー状(ペースト状、インク状を含む。)に調製されていることが挙げられる。
ここで開示される材料は、SOFCのカソードを形成するために用いられる。かかる用途においては、均質なカソード層を安定して作製するため、該カソードの構成材料を1種以上の分散溶媒に分散(もしくは溶解)させ、スラリー状に調製したものを好ましく用いることができる。
Further, in a preferable embodiment of the material disclosed herein, it is mentioned that the material contains at least one dispersion solvent and is prepared in a slurry form (including a paste form and an ink form).
The materials disclosed herein are used to form SOFC cathodes. In such an application, in order to stably produce a homogeneous cathode layer, it is possible to preferably use a material prepared by dispersing (or dissolving) the constituent material of the cathode in one or more kinds of dispersion solvents to prepare a slurry.

また本発明により、アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、上記カソードは、一般式(La1−xSr)(CoFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物(LSCF)と、一般式(La1−xSr)(TiFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物(LSTF)と、が混在した状態で形成されている、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。
上記カソードを備えたSOFCは、高い発電性能を発揮し得る。また、熱膨張や還元膨張が比較的小さく抑えられているため、耐久性に優れ、長期間安定して使用することができる。
According to the present invention, there is also provided a solid oxide fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte, and a cathode, wherein the cathode has the general formula (La 1-x Sr x ) (Co y Fe 1-y ) O 3− δ (where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. And a perovskite oxide (LSCF) represented by the general formula (La 1-x Sr x ) (Ti y Fe 1-y ) O 3-δ (where x is 0.1 ≦ x ≦ A real number satisfying 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.) (LSTF) and a solid oxide fuel cell (SOF) C) is provided.
The SOFC provided with the cathode can exhibit high power generation performance. Moreover, since thermal expansion and reductive expansion are kept relatively small, it has excellent durability and can be used stably for a long period of time.

ここで開示されるSOFCの好ましい一態様は、上記カソードにおける、上記LSCFと、上記LSTFとの質量比率が、80:20〜30:70である。
上記カソードは、電極として優れた性能を有し、且つ熱膨張や還元膨張がより一層抑制されている。よって、かかるカソードを用いたSOFCでは、より高い発電性能(例えば、動作温度700℃における最大電力密度が0.1W/cm以上)と耐久性とを、より高いレベルで両立させることができる。
In a preferred aspect of the SOFC disclosed herein, a mass ratio of the LSCF and the LSTF in the cathode is 80:20 to 30:70.
The cathode has excellent performance as an electrode, and thermal expansion and reductive expansion are further suppressed. Therefore, in the SOFC using such a cathode, higher power generation performance (for example, the maximum power density at an operating temperature of 700 ° C. is 0.1 W / cm 2 or more) and durability can be achieved at a higher level.

ここで開示されるSOFCの好ましい一態様は、上記カソードと上記固体電解質と上記アノードとが層状に積層され形成されており、該積層構造における上記カソードの厚みが10μm以上100μm以下である。
上記カソードでは、熱膨張や還元膨張が抑制されているため、該電極の厚みが比較的厚い場合でも、温度変化等に伴う不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。このため、かかるカソードを用いたSOFCでは、優れた発電性能を長期間にわたり安定して発揮することができる。
In a preferred aspect of the SOFC disclosed herein, the cathode, the solid electrolyte, and the anode are laminated in layers, and the thickness of the cathode in the laminated structure is 10 μm or more and 100 μm or less.
In the cathode, since thermal expansion and reductive expansion are suppressed, even when the thickness of the electrode is relatively large, a problem (for example, generation of cracks) due to a temperature change or the like hardly occurs. For this reason, in the SOFC using such a cathode, it is possible to stably exhibit excellent power generation performance over a long period of time.

ここで開示されるSOFCの好ましい一態様は、上記積層構造の上記カソードは、上記固体電解質上に反応抑止層を設けることなく、直接的に形成されている。
上述の通り、カソード材料としてLSCFを用いる場合、固体電解質(典型的には、ジルコニア系酸化物)との反応性の問題から、一般的には固体電解質とカソードとの間に反応抑止層を形成する必要がある。しかし、ここで開示されるカソードは固体電解質上に直接形成することができるため簡便であり、且つ電池抵抗をも低減し得る。このため、かかるカソードを用いたSOFCは生産性に優れ、且つ優れた発電性能を発揮することができる。
In a preferred aspect of the SOFC disclosed herein, the cathode having the laminated structure is formed directly without providing a reaction inhibiting layer on the solid electrolyte.
As described above, when LSCF is used as the cathode material, a reaction inhibiting layer is generally formed between the solid electrolyte and the cathode due to the problem of reactivity with the solid electrolyte (typically zirconia oxide). There is a need to. However, since the cathode disclosed here can be formed directly on the solid electrolyte, it is simple and can reduce battery resistance. For this reason, the SOFC using such a cathode is excellent in productivity and can exhibit excellent power generation performance.

さらに本発明により、アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池の製造方法が提供される。ここで提供される製造方法では、上記アノードと、上記アノード上に形成された固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を用意すること、上記積層体の固体電解質側の表面に、ここで開示されるいずれかのカソード材料(典型的には、上述したLSCFとLSTFの両方を含むコンポジット状態からなる材料)を付与すること、上記材料が付与された上記積層体を焼成することによって、上記カソードを形成することを包含する。
ここで開示される製造方法では、カソードと他の構成材料(例えば、固体電解質や発電システムを構成する部材)との熱膨張係数(熱膨張率)の差異が小さく抑えられているため、熱膨張に起因する不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。また、カソード用材料と固体電解質との反応性が低いため、該固体電解質上に反応抑止層を設ける必要がない。このため、高い発電性能でありながら、優れた耐久性を有するSOFCをより簡便に製造することができる。
Furthermore, the present invention provides a method for producing a solid oxide fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte, and a cathode. In the manufacturing method provided herein, an anode-solid electrolyte laminate comprising the anode and a solid electrolyte formed on the anode is prepared, and the surface on the solid electrolyte side of the laminate is disclosed herein. By applying any one of the cathode materials (typically, a material comprising a composite state containing both LSCF and LSTF described above) and firing the laminate to which the materials are applied. Forming.
In the manufacturing method disclosed here, the difference in thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) between the cathode and other constituent materials (for example, members constituting the solid electrolyte and the power generation system) is suppressed to be small. Inconveniences (for example, generation of cracks) due to Further, since the reactivity between the cathode material and the solid electrolyte is low, there is no need to provide a reaction inhibiting layer on the solid electrolyte. For this reason, it is possible to more easily manufacture an SOFC having excellent durability while having high power generation performance.

ここで開示される製造方法の好ましい一態様では、上記材料の付与は、上記焼成によって形成される上記カソードの厚みが10μm以上100μm以下となるよう行うことが挙げられる。
ここで開示される製造方法では、カソードの熱膨張や還元膨張が抑制されているため、該カソードの層が比較的厚い場合でも、優れた耐久性を有する。このため、かかるカソードを用いたSOFCでは、長期間にわたり安定した発電性能を発揮することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the material is applied such that the thickness of the cathode formed by the firing is not less than 10 μm and not more than 100 μm.
In the manufacturing method disclosed here, since thermal expansion and reductive expansion of the cathode are suppressed, even when the cathode layer is relatively thick, it has excellent durability. For this reason, an SOFC using such a cathode can exhibit stable power generation performance over a long period of time.

本発明の一実施形態に係る、SOFCを備えた発電システムを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the electric power generation system provided with SOFC based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、SOFCの製造工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the manufacturing process of SOFC based on one Embodiment of this invention. 比較例に係る、SOFCに備えられたカソード電極(LSCFとLSTFの質量比率が100:0)表面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the surface of a cathode electrode (mass ratio of LSCF and LSTF is 100: 0) provided in the SOFC, according to a comparative example. 本発明の一実施例に係る、SOFCに備えられたカソード電極(LSCFとLSTFの質量比率が70:30)表面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the surface of the cathode electrode (mass ratio of LSCF and LSTF is 70:30) provided in the SOFC according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施例に係る、SOFCに備えられたカソード電極(LSCFとLSTFの質量比率が50:50)表面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the surface of the cathode electrode (mass ratio of LSCF and LSTF is 50:50) provided in the SOFC according to one embodiment of the present invention. 比較例に係る、SOFCに備えられたカソード電極(LSCFとLSTFの質量比率が0:100)表面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the surface of a cathode electrode (mass ratio of LSCF and LSTF is 0: 100) provided in the SOFC, according to a comparative example.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外(例えば、発電システムの構成や製造方法等)の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification (for example, the configuration and manufacturing method of the power generation system) and the matters necessary for the implementation of the present invention are those of ordinary skill in the art based on the prior art in this field. It can be grasped as a design matter. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここで開示される材料は、LSCFとLSTFの両方を含むコンポジット状態(以下、LSCFとLSTFの両方を含む材料を、単に「複合材料」ということもある。)からなることにより特徴付けられる。よって、他の構成成分の内容や組成等については、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の基準に照らして決定することができる。
なお、かかる態様がコンポジット状態となっているか否かについては、例えば、一般的な走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)‐エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)によって確認し得る。より具体的には、SEM観察により得られた画像を、EDXを用いて解析(マッピング)することで元素の分布状態を調べ、判断することができる。
The material disclosed herein is characterized by comprising a composite state containing both LSCF and LSTF (hereinafter, a material containing both LSCF and LSTF may be simply referred to as “composite material”). Therefore, the content, composition, and the like of other components can be determined in light of various standards without departing from the object of the present invention.
Whether or not such an aspect is in a composite state is determined by, for example, a general scanning electron microscope (SEM) -energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Can be confirmed by. More specifically, by analyzing (mapping) an image obtained by SEM observation using EDX, the element distribution state can be examined and judged.

本発明により、アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、上記カソードは、LSCFと、LSTFとが混在した状態で形成されている、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。上記カソードを備えたSOFCでは、高い発電性能を発揮し得る。また、熱膨張や還元膨張が比較的小さく抑えられているため、耐久性に優れ、長期間安定して使用することができる。
ここで開示される複合材料を用いたカソードは、種々の構造のSOFC、例えば、従来公知のシート状(Planar)、チューブ状(Tubular)、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰したフラットチューブ状(Flat tubular)等のSOFCに対して好適に用いることができ、形状又はサイズに特に限定されない。
According to the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell including an anode, a solid electrolyte, and a cathode, wherein the cathode is formed in a state where LSCF and LSTF are mixed. SOFC). A SOFC equipped with the cathode can exhibit high power generation performance. Moreover, since thermal expansion and reductive expansion are kept relatively small, it has excellent durability and can be used stably for a long period of time.
The cathode using the composite material disclosed herein is an SOFC having various structures, for example, a conventionally known sheet shape (Planar), a tube shape (Tubular), or a flat tube shape in which a peripheral side surface of a cylinder is vertically crushed. It can be suitably used for SOFC such as (Flat tubular), and is not particularly limited in shape or size.

一例として、図1を参照しながら説明する。図1は、ここで開示されるSOFC50を備えた発電システムの断面構成を模式的に示した図である。ここに示す構成のSOFC50はアノード支持型のSOFCであり、支持体(基材)となるシート状のアノード(燃料極)10と、該アノード10の少なくとも一部の表面上に形成された(膜状の)固体電解質20と、該固体電解質20の表面上に形成されたシート状のカソード(空気極)30とが積層された構造を有している。そして、アノード10の端部12と、燃料ガス(典型的にはH(水素))を供給するガス管60の接合面とが接続部材40によって接合され、気体(燃料ガスもしくは空気)が流出および/または流入しないように封止されている。また、カソード30は外気に露出した構造を有している。かかる発電システムに電流を印加すると、カソード30において、酸素含有ガス(空気)中の酸素が、酸化物イオンとなる(酸素がイオン化される)。該酸化物イオンは、カソード30から固体電解質20を介してアノード10に到達し、アノード10に供給される。そして、燃料ガス中の水素(H)と反応して電子を放出することにより、発電が行われる。 An example will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration of a power generation system including the SOFC 50 disclosed herein. The SOFC 50 having the structure shown here is an anode-supported SOFC, and is formed on a sheet-like anode (fuel electrode) 10 serving as a support (base material) and at least a part of the surface of the anode 10 (membrane). A solid electrolyte 20 and a sheet-like cathode (air electrode) 30 formed on the surface of the solid electrolyte 20 are laminated. Then, the end 12 of the anode 10 and the joining surface of the gas pipe 60 that supplies the fuel gas (typically H 2 (hydrogen)) are joined by the connecting member 40, and the gas (fuel gas or air) flows out. And / or sealed from inflow. The cathode 30 has a structure exposed to the outside air. When a current is applied to such a power generation system, oxygen in the oxygen-containing gas (air) becomes oxide ions (oxygen is ionized) at the cathode 30. The oxide ions reach the anode 10 from the cathode 30 through the solid electrolyte 20 and are supplied to the anode 10. Then, electricity is generated by reacting with hydrogen (H 2 ) in the fuel gas and releasing electrons.

ここで開示されるSOFC50を構成するアノード(燃料極)10は多孔質構造を有している。なお、アノードの形状はSOFCに供給される燃料ガスに接触できるように構成されていればよく、上述したSOFCの形状に応じて適宜選択し得る。図1に示す構成のSOFC50では、比較的厚く形成されたシート状のアノード10がSOFC50の支持体として形成されている。上記支持体としてのアノード10の厚みは、典型的には0.1mm〜10mm程度であり、好ましくは0.5mm〜5mm程度であるが、かかる厚みに限定されるものではない。   The anode (fuel electrode) 10 constituting the SOFC 50 disclosed herein has a porous structure. Note that the shape of the anode only needs to be configured so as to be in contact with the fuel gas supplied to the SOFC, and can be appropriately selected according to the shape of the SOFC described above. In the SOFC 50 having the configuration shown in FIG. 1, a sheet-like anode 10 formed relatively thick is formed as a support for the SOFC 50. The thickness of the anode 10 as the support is typically about 0.1 mm to 10 mm, and preferably about 0.5 mm to 5 mm, but is not limited to this thickness.

かかるアノードを構成する材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)その他の白金族元素、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等からなる金属および/または金属元素のうちの1種類以上から構成される金属酸化物が挙げられる。具体例として、Ni、Co、Ru等の白金族元素からなる金属や金属酸化物が挙げられる。これらのうち、Niは他の金属に比べて安価であり、且つ水素等の燃料ガスとの反応性が十分に大きいことから、特に好適な金属種である。また、これらの金属や金属酸化物を混合した複合物を用いることもできる。例えば、上記アノード構成材料(金属や金属酸化物)と、後述する固体電解質構成材料との複合物を用いることができる。より具体的には、例えばニッケル(Ni)またはルテニウム(Ru)と、安定化ジルコニア(例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等)とのサーメットが好適例として挙げられる。特に限定するものではないが、例えば上記アノード構成材料と後述する固体電解質構成材料との混合比率(質量比)は、凡そ90:10〜40:60(より好ましくは、凡そ80:20〜45:55)の範囲とすることができる。   Examples of the material constituting the anode include nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru) and other platinum group elements, and cobalt (Co). , Lanthanum (La), strontium (Sr), titanium (Ti) and the like, and / or metal oxides composed of one or more metal elements. Specific examples include metals and metal oxides composed of platinum group elements such as Ni, Co, and Ru. Of these, Ni is a particularly preferred metal species because it is cheaper than other metals and has a sufficiently high reactivity with fuel gas such as hydrogen. Moreover, the composite which mixed these metals and metal oxides can also be used. For example, a composite of the anode constituent material (metal or metal oxide) and a solid electrolyte constituent material described later can be used. More specifically, for example, nickel (Ni) or ruthenium (Ru), stabilized zirconia (for example, yttria stabilized zirconia (YSZ), calcia stabilized zirconia (CSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), etc.) The cermet is a preferred example. Although not particularly limited, for example, the mixing ratio (mass ratio) of the anode constituent material and the solid electrolyte constituent material described later is about 90:10 to 40:60 (more preferably, about 80:20 to 45: 55).

ここで開示されるSOFC50を構成する固体電解質20は緻密構造を有している。固体電解質20は、上記アノード10の上に積層されており、アノード10の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。また、固体電解質20の膜厚は、典型的には5μm〜100μm程度であり、好ましくは10μm〜30μm程度であるが、かかる膜厚に限定されるものではない。   The solid electrolyte 20 constituting the SOFC 50 disclosed herein has a dense structure. The solid electrolyte 20 is laminated on the anode 10, and the shape can be appropriately changed according to the shape of the anode 10. The film thickness of the solid electrolyte 20 is typically about 5 μm to 100 μm, preferably about 10 μm to 30 μm, but is not limited to such a film thickness.

かかる固体電解質を構成する材料としては、高い酸化物イオン伝導性を有する化合物が好ましく用いられる。例えば、ジルコニウム(Zr)、セリウム(Ce)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)等のうちから選択される元素を含む酸化物であることが好ましい。より具体的には、安定化剤(例えば、イットリア(Y)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb)、エルビア(Er))で結晶構造を安定化させたジルコニア(ZrO)や、ドープ剤(例えば、イットリア(Y)、ガドリニア(Gd)、サマリア(Sm)等)をドープしたセリア(CeO)が、好適例として挙げられる。とりわけ、イットリウム(Y)の酸化物(例えば、イットリア(Y))を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、スカンジウム(Sc)の酸化物(例えばスカンジア(Sc))を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等を特に好ましく用いることができる。 As a material constituting such a solid electrolyte, a compound having high oxide ion conductivity is preferably used. For example, zirconium (Zr), cerium (Ce), magnesium (Mg), scandium (Sc), titanium (Ti), aluminum (Al), yttrium (Y), calcium (Ca), gadolinium (Gd), samarium (Sm) ), Barium (Ba), lanthanum (La), strontium (Sr), gallium (Ga), bismuth (Bi), niobium (Nb), tungsten (W), and the like. It is preferable. More specifically, a stabilizer (for example, yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 Zirconia (ZrO 2 ) whose crystal structure has been stabilized with O 3 )) or a dopant (for example, yttria (Y 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), etc.) Doped ceria (CeO 2 ) is a preferred example. In particular, yttria-stabilized zirconia (YSZ) in which an oxide of yttrium (Y) (for example, yttria (Y 2 O 3 )) is dissolved, or an oxide of scandium (Sc) (for example, scandia (Sc 2 O 3 )). Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) or the like in which a solid solution is dissolved can be particularly preferably used.

ここで開示されるSOFCを構成するカソード(空気極)30は、上記アノード10と同様に多孔質構造を有している。カソード30は、上記固体電解質20の上に積層されており、固体電解質20の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。カソード30の膜厚は、典型的には1μm〜200μm程度であり、好ましくは5μm〜100μm程度、より好ましくは10μm〜100μmであるが、かかる厚みに限定されるものではない。ここで開示される材料からなるカソードは熱膨張や還元膨張が抑制されているため、電極厚みが比較的大きい場合でも、温度変化等に伴う不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。   The cathode (air electrode) 30 constituting the SOFC disclosed here has a porous structure like the anode 10. The cathode 30 is laminated on the solid electrolyte 20, and the shape can be appropriately changed according to the shape of the solid electrolyte 20. The thickness of the cathode 30 is typically about 1 μm to 200 μm, preferably about 5 μm to 100 μm, more preferably 10 μm to 100 μm, but is not limited to such thickness. Since the cathode made of the material disclosed herein is suppressed from thermal expansion and reductive expansion, even when the electrode thickness is relatively large, problems (for example, generation of cracks) due to temperature changes are unlikely to occur.

かかるカソードを構成する材料としては、一般式(La1−xSr)(CoFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物(LSCF)と、一般式(La1−xSr)(TiFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物(LSTF)と、の両方を含むコンポジット状態(複合材料)が挙げられる。 As a material constituting such a cathode, the general formula (La 1-x Sr x) (Co y Fe 1-y) O 3-δ ( here, x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5 , Y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) And a perovskite-type oxide (LSCF) represented by the general formula ( La 1-x Sr x ) (Ti y Fe 1-y ) O 3-δ (where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, and y is 0.1 ≦ y ≦ 0.5) And a composite state (composite material) including both perovskite type oxides (LSTFs) represented by (5).

上記一般式における「x」の値は、このペロブスカイト型酸化物において、「La元素」が「Sr元素」によって置換された割合を示す値である。この「x」の取り得る範囲は、ペロブスカイト型構造を崩すことなく、該構造を維持し得る限りにおいて0.1≦x≦0.5(好ましくは0.1≦x≦0.4)の範囲内であれば、いずれの実数をとってもよい。
また、上記一般式における「y」の値は、このペロブスカイト型酸化物における「Fe元素」と「Co元素(LSCFの場合)もしくはTi元素(LSTFの場合)」との組成比を定める値である。この「y」の取り得る値は、0.1≦y≦0.5の範囲内であればいずれの実数をとってもよい。
なお、上記一般式において酸素原子数は3以下(典型的には3未満)であり得る。ただし、酸素原子数はペロブスカイト型構造の一部を置換する原子(例えば式中の「Sr元素」や「(LSCFの)Co元素もしくは(LSTFの)Ti元素」の一部)の種類、置換割合及びその他の条件によって、上記一般式における電荷中性条件を満たすように定められる。ここで、上記一般式における酸素原子数を決定する変数である「δ」は、典型的には1を超えない正の数(0≦δ<1)である。なお、上記一般式中の酸素原子数は、上述のように、ペロブスカイト型酸化物を構成する他の元素によって変化するものであるため、正確に表示することは困難であり、便宜上δを省略して記載する場合もある。即ち、上記一般式中の(3−δ)は、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。
The value of “x” in the above general formula is a value indicating the ratio of “La element” to “Sr element” in the perovskite oxide. The possible range of “x” is a range of 0.1 ≦ x ≦ 0.5 (preferably 0.1 ≦ x ≦ 0.4) as long as the structure can be maintained without destroying the perovskite structure. Any real number can be used as long as it is within.
The value of “y” in the above general formula is a value that determines the composition ratio between “Fe element” and “Co element (in the case of LSCF) or Ti element (in the case of LSTF)” in the perovskite oxide. . The value that “y” can take may be any real number as long as it is within the range of 0.1 ≦ y ≦ 0.5.
In the above general formula, the number of oxygen atoms may be 3 or less (typically less than 3). However, the number of oxygen atoms is the type and substitution ratio of atoms that substitute part of the perovskite structure (for example, “Sr element”, “(LSCF) Co element or (LSTF) Ti element)” in the formula) And other conditions, so as to satisfy the charge neutrality condition in the above general formula. Here, “δ”, which is a variable for determining the number of oxygen atoms in the above general formula, is typically a positive number not exceeding 1 (0 ≦ δ <1). As described above, the number of oxygen atoms in the above general formula varies depending on the other elements constituting the perovskite oxide, so that it is difficult to display accurately, and δ is omitted for convenience. May be described. That is, (3-δ) in the above general formula is not intended to limit the technical scope of the present invention.

上記LSCFは、いわゆる酸素イオン−電子混合伝導体であり、他のペロブスカイト型酸化物に比べて、電極として高い性能を有している。このため比較的低い温度領域(例えば、600℃〜800℃)においても優れた性能を発揮することができる。しかし該LSCFは熱膨張率や還元膨張率が大きいため、後述する実施例(例1)に示すように、そのままSOFCの電極として用いた場合、該電極の環境の変化(典型的には、雰囲気の変化や温度変化)によって不具合(例えばクラックの発生)を生じる虞がある。かかる場合においては、該電極の抵抗増大やガスのリーク等が生じるため、発電性能が低下したり、発電自体が行われなくなったりする虞がある。一方、上記LSTFは、電池としての性能(発電性能)はLSCFに劣るものの、熱膨張や還元膨張が低いという特徴を有する。
このため、ここで開示されるLSCFとLSTFとのコンポジット状態からなる複合材料は、比較的低い温度領域(例えば600℃〜800℃)においても電極として優れた性能を発揮し得る。また、熱膨張や還元膨張が比較的小さく抑えられているため温度変化等に対する膨張や収縮が少なく、かかる材料を用いることでSOFCの耐久性を向上させることができる。さらにLSCFとLSTFは反応性が低いため、LSCFとLSTFのコンポジット状態からなる電極を備えたSOFCは、長期間安定して使用することができる。このため、ここで開示される材料は、SOFCのカソード用材料として好適に用いることができる。
The LSCF is a so-called oxygen ion-electron mixed conductor and has high performance as an electrode as compared with other perovskite oxides. Therefore, excellent performance can be exhibited even in a relatively low temperature range (for example, 600 ° C. to 800 ° C.). However, since the LSCF has a large coefficient of thermal expansion and reductive expansion, when used as it is as an SOFC electrode as shown in an example (Example 1) to be described later, the environmental change of the electrode (typically, the atmosphere (Such as cracks) due to changes in temperature and temperature). In such a case, an increase in resistance of the electrode, a gas leak, and the like occur, so that there is a possibility that the power generation performance is lowered or the power generation itself is not performed. On the other hand, the LSTF is characterized by low thermal expansion and reductive expansion, although the performance (power generation performance) as a battery is inferior to that of LSCF.
For this reason, the composite material which consists of a composite state of LSCF and LSTF disclosed here can exhibit the outstanding performance as an electrode also in a comparatively low temperature range (for example, 600 to 800 degreeC). In addition, since thermal expansion and reductive expansion are kept relatively small, there is little expansion and contraction with respect to temperature changes and the like, and the durability of SOFC can be improved by using such materials. Furthermore, since LSCF and LSTF have low reactivity, SOFCs equipped with electrodes composed of a composite state of LSCF and LSTF can be used stably for a long period of time. For this reason, the material disclosed here can be used suitably as a cathode material of SOFC.

ここで開示されるSOFCの好ましい一態様では、上記カソードにおけるLSCFとLSTFとの質量比率が、80:20〜30:70である。上記質量比率を満たすカソードは、熱膨張や還元膨張が抑制されており、且つ電極としてより優れた性能を発揮し得る。よって、かかるカソードを用いたSOFCでは、より高い発電性能(例えば、動作温度700℃における電力密度が0.1W/cm以上)を発揮することができる。 In a preferred embodiment of the SOFC disclosed herein, the mass ratio of LSCF to LSTF in the cathode is 80:20 to 30:70. The cathode satisfying the above mass ratio has suppressed thermal expansion and reductive expansion, and can exhibit more excellent performance as an electrode. Therefore, SOFC using such a cathode can exhibit higher power generation performance (for example, power density at an operating temperature of 700 ° C. is 0.1 W / cm 2 or more).

ここで開示される複合材料は、例えば原料から作製してもよいし、購入してもよい。また作製方法に関して特に制限はなく、従来の手法と同様の方法を用いることができる。例えば、先ず出発原料たる化合物(LSCFおよびLSTF)および必要に応じてそれ以外の添加物を所定の配合比で乾式または湿式のボールミル等の混合機に投入して混合し、混合粉末を調製する。この際に用いる材料は、平均粒径が0.1μm〜10μm(好ましくは0.3μm〜3μm、より好ましくは1±0.5μm)のものが好適である。
次に、上記得られた混合粉末を適当な高温条件下でアニール処理する。アニール処理の温度は700℃〜900℃(好ましくは800±50℃)に設定するとよく、時間は、30分〜4時間(好ましくは30分〜2時間)に設定するとよい。
そして、上記アニール処理後の混合物を粉砕処理し、適宜篩いがけや分級を行うことによって、例えば、平均粒径が0.1μm〜10μm(典型的には0.1μm〜3μm、好ましくは0.5μm〜2μm、より好ましくは0.5μm〜1.5μm)の複合材料(粉末状)が得られる。かかる粉砕処理には、従来用いられる装置のうち一種または二種以上を特に限定なく用いることができる。例えば、ジェットミル、プラネタリーミキサー等の非媒体型分散機や、ボールミル等の媒体型分散機を用いることができる。また、粉砕処理の条件(例えば、粉砕速度や粉砕時間)は、所望の粒径が得られるよう、適宜を調節するとよい。
なお、本明細書において「平均粒径」とは、例えば従来公知のレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、累積50%に相当する粒径D50(メジアン径ともいう。)を指す。
The composite material disclosed here may be made from a raw material, for example, or purchased. There is no particular limitation on a manufacturing method, and a method similar to a conventional method can be used. For example, first, compounds (LSCF and LSTF) as starting materials and other additives as required are added to a mixer such as a dry or wet ball mill at a predetermined blending ratio and mixed to prepare a mixed powder. The material used in this case is preferably one having an average particle size of 0.1 μm to 10 μm (preferably 0.3 μm to 3 μm, more preferably 1 ± 0.5 μm).
Next, the obtained mixed powder is annealed under suitable high temperature conditions. The annealing temperature may be set to 700 ° C. to 900 ° C. (preferably 800 ± 50 ° C.), and the time may be set to 30 minutes to 4 hours (preferably 30 minutes to 2 hours).
Then, the mixture after the annealing treatment is pulverized, and appropriately subjected to sieving and classification, for example, an average particle size of 0.1 μm to 10 μm (typically 0.1 μm to 3 μm, preferably 0.5 μm). A composite material (powder) of ˜2 μm, more preferably 0.5 μm to 1.5 μm is obtained. For the pulverization treatment, one or more of the conventionally used apparatuses can be used without any particular limitation. For example, a non-media type dispersing machine such as a jet mill or a planetary mixer, or a medium type dispersing machine such as a ball mill can be used. The conditions for the pulverization treatment (for example, pulverization speed and pulverization time) may be adjusted as appropriate so that a desired particle size can be obtained.
In the present specification, the “average particle diameter” means, for example, a particle diameter D 50 (corresponding to a cumulative 50% in a volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measurement based on a conventionally known laser diffraction / light scattering method. Also called median diameter).

ここで開示されるSOFCの好ましい一態様としては、上記積層構造の上記カソード30は、上記固体電解質20上に反応抑止層を設けることなく、直接的に形成されている。上述の通り、カソード材料としてLSCFを用いる場合、固体電解質(典型的には、ジルコニア系酸化物)との反応性の問題から、一般的には固体電解質とカソードとの間に反応抑止層を形成する必要がある。しかし、ここで開示されるカソードは固体電解質上に直接形成することができるため簡便であり、且つ電池抵抗をも低減し得る。このため、かかるカソードを用いたSOFCは生産性に優れ、且つ優れた発電性能を発揮することができる。   As a preferred embodiment of the SOFC disclosed herein, the cathode 30 having the laminated structure is formed directly on the solid electrolyte 20 without providing a reaction inhibiting layer. As described above, when LSCF is used as the cathode material, a reaction inhibiting layer is generally formed between the solid electrolyte and the cathode due to the problem of reactivity with the solid electrolyte (typically zirconia oxide). There is a need to. However, since the cathode disclosed here can be formed directly on the solid electrolyte, it is simple and can reduce battery resistance. For this reason, the SOFC using such a cathode is excellent in productivity and can exhibit excellent power generation performance.

ここで開示される複合材料の形態は、例えば、上述した粉末状であっても、該粉体と任意の分散溶媒とを含むスラリー状(ペースト状、インク状を含む。)であっても、該スラリーを乾燥(もしくは焼成)した固体状であってもよい。
該分散溶媒としては、上記複合材料の構成素材を好適に分散できるもののうち、一種または二種以上を特に限定することなく用いることができる。かかる溶媒は有機系溶媒、無機系溶媒のいずれを用いてもよい。有機系分散溶媒としては、例えば、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、または他の有機溶剤が挙げられる。とりわけ、テルピネオール、ブチルジグリコールアセテート、イソブチルアルコール等が好適に用いられる。また、無機系溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒であることが好ましい。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。ペーストにおける溶媒の含有率は、特に限定されないが、スラリー全体の5〜35質量%程度が好ましい。
The form of the composite material disclosed herein may be, for example, the above-described powder form or a slurry form (including paste form and ink form) containing the powder and an arbitrary dispersion solvent. The slurry may be a solid (dried (or calcined)).
As the dispersion solvent, one or two or more of those capable of suitably dispersing the constituent materials of the composite material can be used without any particular limitation. As the solvent, either an organic solvent or an inorganic solvent may be used. Examples of the organic dispersion solvent include ether solvents, ester solvents, ketone solvents, and other organic solvents. In particular, terpineol, butyl diglycol acetate, isobutyl alcohol and the like are preferably used. In addition, the inorganic solvent is preferably water or a mixed solvent mainly composed of water. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. Although the content rate of the solvent in a paste is not specifically limited, About 5-35 mass% of the whole slurry is preferable.

ここで開示される上記スラリー状の複合材料には、必要に応じて、バインダや任意で付加し得る他の成分(例えば、増粘剤や分散剤等の添加剤)を添加することもできる。なお、ペーストに用いられるバインダや添加剤等は特に限定されるものではなく、ペースト製造において従来公知のものから適宜選択して用いることができる。かかるバインダとしては、例えば、セルロースまたはその誘導体が挙げられる。より具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ブチラールおよびこれらの塩が挙げられる。バインダの含有率は特に限定されないが、スラリー全体の2〜20質量%の範囲で含まれることが好ましい。   If necessary, the slurry-like composite material disclosed herein may be added with a binder or other components that can be optionally added (for example, additives such as a thickener and a dispersant). In addition, the binder, additive, etc. which are used for a paste are not specifically limited, In paste manufacture, it can select from a conventionally well-known thing suitably and can be used. Examples of such a binder include cellulose or a derivative thereof. More specifically, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, carboxyethylcellulose, carboxyethylmethylcellulose, cellulose, ethylcellulose, methylcellulose, ethylhydroxyethylcellulose, butyral and salts thereof can be mentioned. Although the content rate of a binder is not specifically limited, It is preferable that it is contained in 2-20 mass% of the whole slurry.

ここで開示される複合材料としては、他の構成材料(例えば、固体電解質や発電システムを構成する部材)の熱膨張係数(典型的には、12×10−6/K−1〜13×10−6/K−1)と近接した熱膨張係数を有するものが好ましく、典型的には16×10−6/K−1〜13×10−6/K−1とすることができ、例えば15×10−6/K−1〜14×10−6/K−1であり、好ましくは15×10−6/K−1〜14.5×10−6/K−1とすることができる。上記熱膨張係数を満たすカソードは、使用温度域(例えば600℃〜800℃)と非使用時の温度(典型的には常温)との間で昇温と降温とを繰り返しても、温度変化に伴う不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。このため、かかるカソードを用いたSOFCでは、長期間にわたり安定した発電性能を発揮することができる。
なお、上記熱膨張係数は、例えば、示差膨張方式を用いた熱機械分析装置(TMA;Thermo Mechanical Analysis)により、室温(25℃)〜500℃以上(例えば、500℃もしくは1000℃)の温度範囲にて測定した値の算術平均値を採用することができる。具体的な条件は、後述する実施例に述べる。
As a composite material disclosed here, the thermal expansion coefficient (typically 12 × 10 −6 / K −1 to 13 × 10 6 ) of another constituent material (for example, a member constituting a solid electrolyte or a power generation system). Having a thermal expansion coefficient close to −6 / K −1 ) is preferable, typically 16 × 10 −6 / K −1 to 13 × 10 −6 / K −1 , for example, 15 × 10 −6 / K −1 to 14 × 10 −6 / K −1 , preferably 15 × 10 −6 / K −1 to 14.5 × 10 −6 / K −1 . A cathode satisfying the above thermal expansion coefficient can change in temperature even if it is repeatedly raised and lowered between the operating temperature range (for example, 600 ° C. to 800 ° C.) and the temperature when not in use (typically normal temperature). The accompanying defects (for example, generation of cracks) are difficult to occur. For this reason, an SOFC using such a cathode can exhibit stable power generation performance over a long period of time.
In addition, the said thermal expansion coefficient is the temperature range of room temperature (25 degreeC)-500 degreeC or more (for example, 500 degreeC or 1000 degreeC), for example with the thermomechanical analyzer (TMA; Thermo Mechanical Analysis) using a differential expansion system. The arithmetic average value of the values measured at can be adopted. Specific conditions will be described in Examples described later.

また、ここで開示される複合材料としては、還元膨張率(%)が抑えられていることが好ましい。かかる値は、典型的には1.0未満であり、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.7以下とすることができる。なお、還元膨張率とは、還元雰囲気下で加熱したときの寸法変化により、還元耐久性(還元膨張係数、即ち還元雰囲気における熱膨張率)の目安を定量的に示す指標である。上記還元膨張率を満たすカソードでは、例えば燃料ガスがリークしてカソード側に混入した際も還元膨張が抑制されている(即ち還元雰囲気下における耐久性が高い)ため、不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。よって、かかるカソードを用いたSOFCでは、長期間にわたり安定した発電性能を発揮することができる。また、本明細書において「還元膨張率(%)」は、還元雰囲気下における熱膨張率をEred(%)、空気雰囲気下における熱膨張率をEair(%)としたとき、下記の式(3)によって与えられる値を示す。
[{(1+Ered/100)−(1+Eair/100)}/(1+Eair/100)]×100 (3)
Moreover, as a composite material disclosed here, it is preferable that the reduction expansion coefficient (%) is suppressed. Such a value is typically less than 1.0, preferably 0.8 or less, more preferably 0.7 or less. The reductive expansion coefficient is an index that quantitatively indicates a measure of the reduction durability (reduction expansion coefficient, that is, the thermal expansion coefficient in the reducing atmosphere) by dimensional change when heated in a reducing atmosphere. In the cathode satisfying the above reductive expansion rate, for example, when the fuel gas leaks and enters the cathode side, the reductive expansion is suppressed (that is, the durability under a reducing atmosphere is high). Is unlikely to occur. Therefore, the SOFC using such a cathode can exhibit stable power generation performance over a long period of time. Further, in this specification, “reduction expansion rate (%)” is the following formula when the thermal expansion coefficient in a reducing atmosphere is E red (%) and the thermal expansion coefficient in an air atmosphere is E air (%). Indicates the value given by (3).
[{(1 + E red / 100) − (1 + E air / 100)} / (1 + E air / 100)] × 100 (3)

また、上述したSOFCを好適に製造する方法を提供する。ここで開示される製造方法は、多孔質構造のアノードと、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質と、多孔質構造のカソードとからなる積層構造を有した固体酸化物形燃料電池を製造する方法である。   Moreover, the method of manufacturing suitably the SOFC mentioned above is provided. The manufacturing method disclosed herein is a method for manufacturing a solid oxide fuel cell having a laminated structure including a porous anode, a solid electrolyte made of an oxide ion conductor, and a porous cathode. It is.

かかる製造方法は、上記アノードと、上記アノード上に形成された固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を用意すること、上記積層体の固体電解質側の表面に、ここで開示されるいずれかのカソード材料(典型的には、上述した複合材料)を付与すること、上記材料が付与された上記積層体を焼成することによって、上記カソードを形成すること、を包含する。ここで開示される製造方法では、カソードと他の構成材料(例えば、固体電解質や発電システムを構成する部材)との熱膨張係数(熱膨張率)の差異が小さく抑えられているため、熱膨張に起因する不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。また、カソード用材料と電解質との反応性が低いため、反応抑止層を設ける必要がない。このため、ここで開示される製造方法によれば、高耐久性でありながら、高い発電性能を発揮し得るSOFCをより簡便に製造することができる。具体的な製造方法を、図2を用いて詳細に説明する。   Such a manufacturing method includes preparing an anode-solid electrolyte laminate composed of the anode and a solid electrolyte formed on the anode, and disclosing any one disclosed herein on the surface of the laminate on the solid electrolyte side. The cathode material (typically, the composite material described above) is applied, and the laminated body to which the material is applied is fired to form the cathode. In the manufacturing method disclosed here, the difference in thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) between the cathode and other constituent materials (for example, members constituting the solid electrolyte and the power generation system) is suppressed to be small. Inconveniences (for example, generation of cracks) due to Further, since the reactivity between the cathode material and the electrolyte is low, there is no need to provide a reaction inhibiting layer. For this reason, according to the manufacturing method disclosed here, it is possible to more easily manufacture an SOFC that can exhibit high power generation performance while having high durability. A specific manufacturing method will be described in detail with reference to FIG.

<アノード−固体電解質積層体の用意>
ここで「アノード−固体電解質積層体」とは、アノードと固体電解質とが積層した状態を示すものであり、該アノード−固体電解質積層体を用意する方法について特に制限はない。従って、従来知られているSOFCの製造方法における「アノードの作製方法」と「固体電解質の作製方法」を用いることができる。
例えば、図2(a)に示すように、まず、支持基材(支持体)として多孔質構造のアノード10を形成する。ここでは、8族〜10族の金属元素の材料(例えばニッケル材料)と安定化ジルコニア(例えばYSZ)とを混合し、サーメット材料を調製する。次に、上記サーメット材料を、バインダ(例えばメタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤(例えばソルビタントリオレエート)とともに溶媒(例えばキシレン)に分散させて、スラリー状のアノード用材料を調製する。そして、かかるアノード用材料を適当な成形方法(例えばシート成形)で成形し、該成形体を焼成することによってシート状のアノード10を形成する。上記成形体の焼成処理は、1200℃〜1400℃の温度で1時間〜5時間加熱することによって行うとよい。なお、アノード用材料の焼成処理は、後述の固体電解質用材料の焼成処理と同時に行ってもよい。
<Preparation of anode-solid electrolyte laminate>
Here, the “anode-solid electrolyte laminate” indicates a state where the anode and the solid electrolyte are laminated, and there is no particular limitation on the method for preparing the anode-solid electrolyte laminate. Therefore, it is possible to use “anode manufacturing method” and “solid electrolyte manufacturing method” in the conventionally known SOFC manufacturing methods.
For example, as shown in FIG. 2A, first, an anode 10 having a porous structure is formed as a support substrate (support). Here, a cermet material is prepared by mixing a group 8-10 metal element material (for example, nickel material) and a stabilized zirconia (for example, YSZ). Next, the cermet material is dispersed in a solvent (for example, xylene) together with a binder (for example, a methacrylic ester polymer) and a dispersant (for example, sorbitan trioleate) to prepare a slurry anode material. Then, the anode material is formed by an appropriate forming method (for example, sheet forming), and the formed body is fired to form the sheet-like anode 10. It is good to perform the baking process of the said molded object by heating at the temperature of 1200 to 1400 degreeC for 1 hour-5 hours. In addition, you may perform the baking process of the material for anodes simultaneously with the baking process of the material for solid electrolytes mentioned later.

そして、図2(b)に示すように、上記アノード10上に固体電解質20を形成する。ここでは、上述した固体電解質20の原料(例えばYSZ)をバインダ(例えばメタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤(例えばソルビタントリオレエート)とともに溶媒(例えばキシレン)に分散させて、スラリー状の固体電解質用材料を調製する。次に、調製された固体電解質用材料をアノード10(もしくはアノード用材料の成形体)上に任意の手法(例えば印刷成形)で付与し、固体電解質用材料の成形体を形成する。そして固体電解質用材料を付与した成形体を乾燥させた後に、大気雰囲気下で焼成する。このときの焼成温度は、例えば1200℃〜1400℃の範囲内であるとよく、焼成時間は、例えば1時間〜5時間の範囲内であるとよい。この焼成処理によってアノード10の上に膜状の固体電解質20が形成され、アノード10と、該アノード10上に形成された固体電解質20からなる、アノード−固体電解質積層体110を得ることができる。   Then, as shown in FIG. 2B, a solid electrolyte 20 is formed on the anode 10. Here, the raw material (for example, YSZ) of the above-described solid electrolyte 20 is dispersed in a solvent (for example, xylene) together with a binder (for example, methacrylic ester-based polymer) and a dispersant (for example, sorbitan trioleate), and used for a slurry-like solid electrolyte. Prepare the material. Next, the prepared solid electrolyte material is applied onto the anode 10 (or a molded body of the anode material) by an arbitrary method (for example, printing molding) to form a molded body of the solid electrolyte material. And after drying the molded object which provided the material for solid electrolytes, it bakes in an atmospheric condition. The firing temperature at this time is preferably in the range of 1200 ° C. to 1400 ° C., for example, and the firing time is preferably in the range of 1 hour to 5 hours, for example. By this firing treatment, a film-like solid electrolyte 20 is formed on the anode 10, and an anode-solid electrolyte laminate 110 including the anode 10 and the solid electrolyte 20 formed on the anode 10 can be obtained.

<複合材料の付与>
次に、図2(c)に示すように、アノード−固体電解質積層体110の固体電解質20側の表面に上述の複合材料を付与する。この際、均質な電極を安定して作製するために、構成材料を1種以上の分散溶媒に分散(もしくは溶解)させ、調製したものを好ましく用いることができる。例えば、先ず、ここで開示される複合材料(粉末状)と、分散溶媒(例えばテルピネオール)と、増粘剤(例えばエチルセルロース)等の添加剤と、を任意の混練手法(例えば、ロールミル、ミキサー等)によって混練し、スラリー状に調整する手法を用いることができる。例えば、かかる混練処理において、上記粉末状の複合材料とその他の添加剤とを50rpm〜300rpmの攪拌速度で、0.5時間〜1時間混練することによって、粉末状の複合材料が好適に分散したスラリー状の複合材料が得られる。
そして任意の手法(例えば印刷成形)を用いて、該スラリー状の複合材料を固体電解質20上に付与する。ここで開示される製造方法の好ましい一態様では、上記複合材料の付与は、上記焼成によって形成されるカソードの厚みが10μm以上100μm以下となるよう行うことが挙げられる。ここで開示される製造方法では、該カソードの熱膨張や還元膨張が抑制されているため、該電極の厚みが比較的厚い場合でも優れた耐久性を発揮することができる。
<Applying composite material>
Next, as shown in FIG. 2C, the above-mentioned composite material is applied to the surface of the anode-solid electrolyte laminate 110 on the solid electrolyte 20 side. At this time, in order to stably produce a homogeneous electrode, a material prepared by dispersing (or dissolving) a constituent material in one or more dispersion solvents can be preferably used. For example, first, an arbitrary kneading technique (for example, a roll mill, a mixer, etc.) is used for the composite material (powder) disclosed herein, a dispersion solvent (for example, terpineol), and an additive such as a thickener (for example, ethyl cellulose). ), And a method of adjusting to a slurry state can be used. For example, in such a kneading process, the powdery composite material and other additives are kneaded at a stirring speed of 50 rpm to 300 rpm for 0.5 hour to 1 hour, whereby the powdery composite material is suitably dispersed. A slurry-like composite material is obtained.
Then, the slurry-like composite material is applied onto the solid electrolyte 20 by using an arbitrary method (for example, printing molding). In a preferable embodiment of the production method disclosed herein, the application of the composite material may be performed so that the thickness of the cathode formed by the firing is not less than 10 μm and not more than 100 μm. In the manufacturing method disclosed here, since thermal expansion and reductive expansion of the cathode are suppressed, excellent durability can be exhibited even when the electrode is relatively thick.

<複合材料の焼成>
次に、該複合材料が付与された積層体を焼成する。焼成の方法等は特に限定されないが、例えば、複合材料が付与された積層体110を、700℃〜900℃(好ましくは750℃〜850℃)で焼成することができる。上記焼成によりカソード30が形成され、アノード10と固体電解質20とカソード30とが積層されたSOFC50を得ることができる。
<Baking of composite materials>
Next, the laminate provided with the composite material is fired. Although the firing method and the like are not particularly limited, for example, the laminate 110 provided with the composite material can be fired at 700 to 900 ° C. (preferably 750 to 850 ° C.). The SOFC 50 in which the cathode 30 is formed by the firing and the anode 10, the solid electrolyte 20, and the cathode 30 are laminated can be obtained.

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。本実施例では、カソード構成材料の異なる(具体的には、LSCFとLSTFとの比率が異なる)10種類の固体酸化物形燃料電池(SOFC)を作製し、その特性および電池性能(発電性能)を評価した。なお、以下で説明する実施例は、本発明を限定することを意図したものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. In this example, 10 types of solid oxide fuel cells (SOFC) having different cathode constituent materials (specifically, the ratio of LSCF and LSTF are different) were produced, and their characteristics and battery performance (power generation performance) were produced. Evaluated. Note that the examples described below are not intended to limit the present invention.

<SOFCの作製>
先ず、平均粒径1μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末と、平均粒径3μmの酸化ニッケル(NiO)粉末とを混ぜ合わせ、混合粉末を得た。該混合粉末と、バインダ(メタクリル酸エステル系ポリマー)と、分散剤(ソルビタントリオレエート)とを、溶媒(キシレン)中で混練することにより、スラリー状のアノード用材料を調製した。該アノード用材料をシート成形によって成形し、φ20mm、厚み1mm程度のアノード用成形体を作製した。
<Production of SOFC>
First, yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder having an average particle diameter of 1 μm and nickel oxide (NiO) powder having an average particle diameter of 3 μm were mixed to obtain a mixed powder. The mixed powder, a binder (methacrylic ester polymer), and a dispersant (sorbitan trioleate) were kneaded in a solvent (xylene) to prepare a slurry anode material. The anode material was molded by sheet molding to produce an anode molded body having a diameter of about 20 mm and a thickness of about 1 mm.

次に、平均粒径1μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末と、バインダ(メタクリル酸エステル系ポリマー)と、分散剤(ソルビタントリオレエート)とを、溶媒(キシレン)中で混練することにより、スラリー状の固体電解質用材料を調製した。該固体電解質用材料を上記アノード用成形体上に印刷成形し、φ20mmの固体電解質成形体を形成した。なお、このときの固体電解質成形体の厚みは凡そ20μmだった。そして、積層した2層からなる成形体を乾燥させた後に、1300℃の温度で3時間焼成することにより、アノード−固体電解質積層体を作製した。   Next, a yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder having an average particle diameter of 1 μm, a binder (methacrylic acid ester polymer), and a dispersant (sorbitan trioleate) are kneaded in a solvent (xylene) to form a slurry. A solid electrolyte material was prepared. The solid electrolyte material was printed on the anode molded body to form a solid electrolyte molded body having a diameter of 20 mm. In addition, the thickness of the solid electrolyte molded body at this time was about 20 μm. And after drying the molded object which consists of two laminated | stacked layers, the anode-solid electrolyte laminated body was produced by baking at the temperature of 1300 degreeC for 3 hours.

カソード材料としては、平均粒径0.8μmのLSCF酸化物(ここでは、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83−δを用いた。)の粉末と、平均粒径0.8μmのLSTF酸化物(ここでは、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.73−δを用いた。)の粉末とを、表1に示す質量比率で混合し、混合粉末を調製した。そして、かかる混合粉末を大気雰囲気下において800℃の温度で1時間アニール処理した後、粉砕処理して粉末状の複合材料(例1〜10)を得た。 As the cathode material, a powder of LSCF oxide having an average particle diameter of 0.8 μm (here, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ was used) and an average particle LSTF oxide having a diameter of 0.8 μm (here, La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3-δ ) was mixed at a mass ratio shown in Table 1 Then, a mixed powder was prepared. The mixed powder was annealed at a temperature of 800 ° C. for 1 hour in an air atmosphere and then pulverized to obtain a powdery composite material (Examples 1 to 10).

<熱的特性評価>
上記カソード形成用の粉末状の複合材料について、下記条件で熱機械分析(TMA;Thermo Mechanical Analysis)を行い、熱膨張係数および還元膨張率を測定した。表1の該当欄に、測定温度範囲における算術平均値を示す。
測定装置;株式会社リガク製、型式「CN8098F1」
測定方法;示差膨張方式
測定温度範囲;室温(25℃)〜1000℃、昇温速度;5℃/分
測定雰囲気;大気中、水素4%+窒素96%の雰囲気中
<Thermal characteristics evaluation>
The powdery composite material for forming the cathode was subjected to thermomechanical analysis (TMA) under the following conditions, and the thermal expansion coefficient and the reduction expansion coefficient were measured. In the corresponding column of Table 1, the arithmetic average value in the measurement temperature range is shown.
Measuring device: Model “CN8098F1” manufactured by Rigaku Corporation
Measurement method: differential expansion method Measurement temperature range: room temperature (25 ° C.) to 1000 ° C., rate of temperature increase: 5 ° C./min Measurement atmosphere: in the atmosphere of hydrogen 4% + nitrogen 96%

次に、上記粉末状の複合材料と、バインダ(エチルセルロース)とを、溶媒(テルピネオール)中に添加し、ロールミルで0.5時間混練し、スラリー状の複合材料を得た。該スラリー状の複合材料を、上記固体電解質層上にスクリーン成形して、φ16mmのカソード用成形体を固体電解質層の上に形成した。なお、このときのカソード用成形体の厚みは、凡そ10μm〜50μmだった。そして、積層した3層からなる成形体を、800℃の温度で、1時間焼成することによってカソードを形成した。
これによって、アノード、固体電解質、カソードの順に積層したアノード支持型のSOFC(例1〜10)を得た。
Next, the powdery composite material and a binder (ethyl cellulose) were added to a solvent (terpineol) and kneaded for 0.5 hour with a roll mill to obtain a slurry-like composite material. The slurry-like composite material was screen-molded on the solid electrolyte layer to form a φ16 mm cathode molded body on the solid electrolyte layer. In addition, the thickness of the molded object for cathodes at this time was about 10 micrometers-50 micrometers. And the cathode was formed by baking the molded object which consists of the laminated | stacked 3 layer at the temperature of 800 degreeC for 1 hour.
As a result, anode-supported SOFCs (Examples 1 to 10) in which the anode, the solid electrolyte, and the cathode were laminated in this order were obtained.

<発電試験>
上記作製したSOFC(例1〜10)について、温度600℃〜800℃で動作させ、発電特性評価を行った。「発電性能」の代表値として、温度700℃における最大電力密度(W/cm)の値を表1の該当欄に示す。なお、表中の「‐」は、試験時に燃料ガスのリークが発生し、計測不能であったことを示す。
<Power generation test>
About the produced SOFC (Examples 1-10), it was made to operate | move at the temperature of 600 to 800 degreeC, and electric power generation characteristic evaluation was performed. As a representative value of “power generation performance”, the value of the maximum power density (W / cm 2 ) at a temperature of 700 ° C. is shown in the corresponding column of Table 1. In addition, “-” in the table indicates that fuel gas leaked during the test and measurement was impossible.

表1に示すように、LSTFの含有割合が増加するにしたがって、熱膨張係数および還元膨張係数は徐々に小さくなった。熱膨張の観点からは、ここに開示されるSOFCのセルに使用される典型的な材料の熱膨張係数に近い値を有する材料が好ましく、熱膨張係数が13〜16(×10−6/K−1)の範囲にある例3〜例9が好適と考えられた。また、還元膨張率の観点からは、0.7以下と比較的小さい値である、例3〜例10が好適と考えられた。
さらに、ここで開示されるSOFCは、用途にも拠るが、実用的には電流密度0.45A/cmの時の最大電力密度が0.1W/cm以上であることが好ましい。よって、SOFCの電極性能の観点からは、例2〜例8が好適と考えられた。
As shown in Table 1, as the LSTF content ratio increased, the thermal expansion coefficient and the reduction expansion coefficient gradually decreased. From the viewpoint of thermal expansion, a material having a value close to the thermal expansion coefficient of a typical material used in the SOFC cell disclosed herein is preferable, and the thermal expansion coefficient is 13 to 16 (× 10 −6 / K). Example 3 to Example 9 in the range of -1 ) were considered suitable. Further, from the viewpoint of the reduction expansion coefficient, Examples 3 to 10 which were relatively small values of 0.7 or less were considered suitable.
Furthermore, although the SOFC disclosed here depends on the application, it is preferable that the maximum power density at a current density of 0.45 A / cm 2 is practically 0.1 W / cm 2 or more. Therefore, Examples 2 to 8 were considered suitable from the viewpoint of the electrode performance of SOFC.

<電子顕微鏡観察>
また、上記発電試験後のSOFCを解体し、アノードの表面(成形体の表面)を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、電極表面の状態を確認した。観察結果を図3〜図6に示す。なお、図3は例1のカソード電極(即ち、LSCFのみの場合)、図4は例4のカソード電極(即ち、LSCFとLSTFの含有割合が70:30の場合)、図5は例6(即ち、LSCFとLSTFの含有割合が50:50の場合)、図6は例10(即ち、LSTFのみの場合)に、それぞれ対応している。
<Electron microscope observation>
Moreover, the SOFC after the power generation test was disassembled, and the surface of the anode (the surface of the molded body) was observed with a scanning electron microscope (SEM) to confirm the state of the electrode surface. The observation results are shown in FIGS. 3 shows the cathode electrode of Example 1 (that is, only LSCF), FIG. 4 shows the cathode electrode of Example 4 (that is, the content ratio of LSCF and LSTF is 70:30), and FIG. That is, when the content ratio of LSCF and LSTF is 50:50, FIG. 6 corresponds to Example 10 (that is, only LSTF).

上記発電試験において電力密度の低かった(または測定不能であった)例1(図3)および例10(図6)のカソード電極表面には、大きなクラックの発生が認められた。原因として、SOFCを構築するために用いた材料の熱膨張係数と、アノード成形体の膨張係数とが大きく異なったことが考えられる。そのため、上記クラックの隙間から燃料のリークが発生したり、抵抗が増大したりして、上記発電性能の悪化につながったものと考えられる。一方、例4(図4)および例6(図5)では、電極表面上に大きなクラック等不具合は確認されなかった。
上記の結果より、LSCFとLSTFとの質量比率が80:20〜30:70となるよう混合されたカソード材料を用いることで、優れた電極性能(高い電力密度)を有し、且つ熱膨張や還元膨張が抑制された(耐久性に優れた)SOFCを製造し得ることが示された。
The generation of large cracks was observed on the cathode electrode surfaces of Example 1 (FIG. 3) and Example 10 (FIG. 6), which had low power density (or could not be measured) in the power generation test. As a cause, it is conceivable that the thermal expansion coefficient of the material used for constructing the SOFC and the expansion coefficient of the anode molded body were greatly different. Therefore, it is considered that fuel leakage occurred from the crack gap or the resistance increased, leading to deterioration of the power generation performance. On the other hand, in Example 4 (FIG. 4) and Example 6 (FIG. 5), no defects such as large cracks were observed on the electrode surface.
From the above results, by using a cathode material mixed so that the mass ratio of LSCF and LSTF is 80:20 to 30:70, it has excellent electrode performance (high power density), thermal expansion and It was shown that SOFCs with reduced reductive expansion (excellent durability) can be produced.

本発明の材料によると、優れた電極性能を有し、且つ耐久性の向上したSOFCのカソードを形成することができる。このため、本発明は、高性能なSOFC(もしくは発電システム)の構築に貢献することができる。また、かかる材料を用いると、低温稼働のSOFCでも、高い発電性能を発揮することができる。さらに、ここで開示されるカソードは固体電解質上に直接形成することができるため作業が簡便であり、好ましくは電池特性を向上(例えば抵抗の低減等)することができる。   According to the material of the present invention, an SOFC cathode having excellent electrode performance and improved durability can be formed. Therefore, the present invention can contribute to the construction of a high-performance SOFC (or power generation system). In addition, when such a material is used, high power generation performance can be exhibited even with a SOFC operating at a low temperature. Furthermore, since the cathode disclosed herein can be directly formed on a solid electrolyte, the operation is simple, and preferably battery characteristics can be improved (for example, resistance can be reduced).

10 アノード(燃料極)
20 固体電解質
30 カソード(空気極)
40 接合部
50 SOFC
60 ガス管
110 アノード−固体電解質成形体
10 Anode (fuel electrode)
20 Solid electrolyte 30 Cathode (Air electrode)
40 Joint 50 SOFC
60 Gas Pipe 110 Anode-Solid Electrolyte Molded Body

Claims (9)

以下の一般式(1):
(La1−xSr)(CoFe1−y)O3−δ (1)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物と、
以下の一般式(2):
(La1−xSr)(TiFe1−y)O3−δ (2)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物と、の両方を含むコンポジット状態からなる、固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料。
The following general formula (1):
(La 1-x Sr x) (Co y Fe 1-y) O 3-δ (1)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
A perovskite oxide represented by
The following general formula (2):
(La 1-x Sr x) (Ti y Fe 1-y) O 3-δ (2)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
A material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell comprising a composite state containing both perovskite type oxides shown in FIG.
前記一般式(1)で示される酸化物と、前記一般式(2)で示される酸化物との質量比率が、80:20〜30:70である、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料。   The solid oxide form according to claim 1, wherein a mass ratio of the oxide represented by the general formula (1) and the oxide represented by the general formula (2) is 80:20 to 30:70. Cathode forming material for fuel cells. 少なくとも1種の分散溶媒を含み、スラリー状に調製されている、請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料。   The material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, comprising at least one dispersion solvent and prepared in a slurry form. アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記カソードは、以下の一般式(1)
(La1−xSr)(CoFe1−y)O3−δ (1)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物と、
以下の一般式(2):
(La1−xSr)(TiFe1−y)O3−δ (2)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物と、が混在した状態で形成されている、固体酸化物形燃料電池。
A solid oxide fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte and a cathode,
The cathode has the following general formula (1)
(La 1-x Sr x) (Co y Fe 1-y) O 3-δ (1)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
A perovskite oxide represented by
The following general formula (2):
(La 1-x Sr x) (Ti y Fe 1-y) O 3-δ (2)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
A solid oxide fuel cell formed in a mixed state with a perovskite oxide represented by
前記カソードにおける、前記一般式(1)で示される酸化物と、前記一般式(2)で示される酸化物との質量比率が、80:20〜30:70である、請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池。   5. The mass ratio of the oxide represented by the general formula (1) and the oxide represented by the general formula (2) in the cathode is 80:20 to 30:70. Solid oxide fuel cell. 前記カソードと前記固体電解質と前記アノードとが層状に積層され形成されており、
該積層構造における前記カソードの厚みが10μm以上100μm以下である、請求項4または5に記載の固体酸化物形燃料電池。
The cathode, the solid electrolyte, and the anode are formed in a layered manner,
The solid oxide fuel cell according to claim 4 or 5, wherein the thickness of the cathode in the laminated structure is 10 µm or more and 100 µm or less.
前記積層構造の前記カソードは、前記固体電解質上に反応抑止層を設けることなく、直接的に形成されている、請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the cathode of the laminated structure is formed directly without providing a reaction inhibiting layer on the solid electrolyte. アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記アノードと、前記アノード上に形成された固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を用意すること、
前記積層体の固体電解質側の表面に請求項1から3のいずれか一項に記載の材料を付与すること、
前記材料が付与された前記積層体を焼成することによって、前記カソードを形成すること、
を包含する、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
A method for producing a solid oxide fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte, and a cathode, comprising:
Providing an anode-solid electrolyte laminate comprising the anode and a solid electrolyte formed on the anode;
Applying the material according to any one of claims 1 to 3 to the surface of the laminate on the solid electrolyte side;
Firing the laminate provided with the material to form the cathode;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
前記材料の付与は、前記焼成によって形成される前記カソードの厚みが10μm以上100μm以下となるよう行う、請求項8に記載の製造方法。


The manufacturing method according to claim 8, wherein the application of the material is performed so that the thickness of the cathode formed by the baking becomes 10 μm or more and 100 μm or less.


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